Сравнение лучевого и дифракционного подходов к коррекции аберраций при транскраниальной фокусировке ультразвукового поля

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Теоретически оценены возможности использования лучевого и дифракционного методов коррекции аберраций, применяющихся в неинвазивной нейрохирургии для фокусировки ультразвука высокой интенсивности через кости черепа на различных глубинах в мозге человека. При анализе использовались данные компьютерной томографии головы с различными геометрическими характеристиками черепа в рамках анонимизированного набора из восьми пациентов. В качестве излучателя рассматривалась фазированная решетка с абсолютно плотным мозаичным заполнением поверхности 256 элементами, рабочей частотой 1 МГц, имеющая форму сферической чаши с радиусом кривизны и диаметром 200 мм. Компенсация аберраций лучевым методом проводилась путем расчета набега фаз вдоль лучей, исходящих из целевой точки к центрам элементов. В дифракционном методе при коррекции аберраций и расчете фокусировки ультразвука использовалась комбинация интеграла Рэлея и псевдоспектрального численного метода решения волнового уравнения в неоднородной среде, реализованного в программном пакете k-Wave. Показано, что наибольшие искажения поля наблюдаются для черепов с более выраженной вариацией толщины костной ткани. Дифракционный метод позволяет повысить эффективность фокусировки, а также проводить коррекцию на меньших глубинах по сравнению с лучевым методом.

Об авторах

О. В. Солонцов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Медицинский научно-образовательный институт МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: solontsov.ov@gmail.com
Ленинские горы, Москва, 119991 Россия; Ломоносовский просп. 27, Москва, 119192 Россия

П. Б. Росницкий

Division of Gastroenterology, Department of Medicine, University of Washington School of Medicine

Email: solontsov.ov@gmail.com
Seattle, WA, USA

Д. Д. Чупова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: solontsov.ov@gmail.com
Ленинские горы, Москва, 119991 Россия

Л. Р. Гаврилов

Division of Gastroenterology, Department of Medicine, University of Washington School of Medicine

Email: solontsov.ov@gmail.com
Seattle, WA, USA

В. Е. Синицын

Медицинский научно-образовательный институт МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: solontsov.ov@gmail.com
Ломоносовский просп. 27, Москва, 119192 Россия

Е. А. Мершина

Медицинский научно-образовательный институт МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: solontsov.ov@gmail.com
Ломоносовский просп. 27, Москва, 119192 Россия

О. А. Сапожников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: solontsov.ov@gmail.com
Ленинские горы, Москва, 119991 Россия

В. А. Хохлова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: solontsov.ov@gmail.com
Ленинские горы, Москва, 119991 Россия

Список литературы

  1. Qiu W., Bouakaz A., Konofagou E., Zheng H. Ultrasound for the brain: A review of physical and engineering principles, and clinical applications // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2020. V. 68. N 1. P. 6–20.
  2. Mehkri Y., Pierre K., Woodford S.J., Davidson C.G., Urhie O., Sriram S., Hernandez J., Hanna C., Lucke-Wold B. Surgical Management of Brain Tumors with Focused Ultrasound // Curr. Oncol. 2023. V. 30. N 5. P. 4990–5002.
  3. Ahmed A.K., Zhuo J., Gullapalli R.P., Jiang L., Keaser M.L., Greenspan J.D., Chen C., Miller T.R., Melhem E.R., Sansur C.A., Eisenberg H.M., Gandhi D. Focused Ultrasound Central Lateral Thalamotomy for the Treatment of Refractory Neuropathic Pain: Phase I Trial // Neurosurgery. 2024. V. 94. N 4. P. 690–699.
  4. Набиуллина Д.И., Галимова Р.М., Иллариошкин С.Н., Бузаев И.В., Сафин Ш.М., Ахмадеева Г.Н., Мухамадеева Н.Р., Крекотин Д.К. Опыт поэтапной и одномоментной двусторонней таламотомии методом фокусированного ультразвука под контролем магнитно-резонансной томографии в лечении эссенциального тремора // Журн. неврол. психиатр. им. С.С. Корсакова. 2023. Т. 123. № 7. С. 65–73.
  5. Elias W.J. A randomized trial of focused ultrasound thalamotomy for essential tremor // N. Engl. J. Med. 2016. V. 375. N 8. P. 730–739.
  6. Галимова Р.М., Иллариошкин С.Н., Ахмадеева Г.Н., Набиуллина Д.И., Кашапов Ф.Ф., Сафин Ш.М., Бузаев И.В., Терегулова Д.Р., Сидорова Ю.А., Качемаева О.В. Одновременное воздействие на две мишени методом фокусированного ультразвука под контролем МРТ при лечении пациентов с дрожательными фенотипами болезни Паркинсона // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2024. Т. 18. № 2. C. 5–12.
  7. Sinai A., Nassar M., Sprecher E., Constantinescu M., Zaaroor M., Schlesinger I. Focused Ultrasound Thalamotomy in Tremor Dominant Parkinson's Disease: Long-Term Results // J. Parkinsons Dis. 2022. V. 12. N 1. P. 199–206.
  8. Horisawa S., Yamaguchi T., Abe K., Hori H., Fukui A., Iijima M., Sumi M., Hodotsuka K., Konishi Y., Kawamata T., Taira T. Magnetic resonance-guided focused ultrasound thalamotomy for focal hand dystonia: A Pilot Study // Mov. Disord. 2021. V. 36. N 8. P. 1955–1959.
  9. Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М.: Фазис, 2013.
  10. Hynynen K., Jones R.M. Image-guided ultrasound phased arrays are a disruptive technology for non-invasive therapy // Phys. Med. Biol. 2016. V. 61. P. 206–248.
  11. Drainville R.A., Chatillon S., Moore D., Snell J., Padilla F., Lafon C. A simulation study on the sensitivity of transcranial ray-tracing ultrasound modeling to skull properties // J. Acoust. Soc. Am. 2023. V. 154. N 2. P. 1211–1225.
  12. Rosnitskiy P.B., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Gavrilov L.R., Khokhlova V.A. Simulation of nonlinear trans-skull focusing and formation of shocks in brain using a fully populated ultrasound array with aberration correction // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. N 3. P. 1786–1798.
  13. Ильин С.А., Юлдашев П.В., Хохлова В.А., Гаврилов Л.Р., Росницкий П.Б., Сапожников О.А. Применение аналитического метода для оценки качества акустических полей при электронном перемещении фокуса многоэлементных терапевтических решеток // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 1. С. 57–64.
  14. Bancel T., Houdouin A., Annic P., Rachmilevitch I., Shapira Y., Tanter M., Aubry J.-F. Comparison between ray-tracing and full-wave simulation for transcranial ultrasound focusing on a clinical system using the transfer matrix formalism // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2021. V. 68. N 7. P. 2554–2565.
  15. Meng Y., Jones R.M., Davidson B., Huang Y., Pople C.B., Surendrakumar S., Hamani C., Hynynen K., Lipsman N. Technical principles and clinical workflow of transcranial MR-guided focused ultrasound // Stereotact. Funct. Neurosurg. 2021. V. 99. N 4. P. 329–342.
  16. Росницкий П.Б., Гаврилов Л.Р., Юлдашев П.В., Сапожников О.А., Хохлова В.А. О возможности применения многоэлементных фазированных решеток для ударно волнового воздействия на глубокие структуры мозга // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 5. С. 489–500.
  17. Rosnitskiy P.B., Vysokanov B.A., Gavrilov L.R., Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A. Method for designing multielement fully populated random phased arrays for ultrasound surgery applications // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2018. V. 65. N 4. P. 630–637.
  18. Raju B.I., Hall C.S., Seip R. Ultrasound therapy transducers with space-filling non-periodic arrays // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2011. V. 58. N 5. P. 944–954.
  19. Ramaekers P., Ries M., Moonen C.T.W., de Greef M. Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat’s spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation // Med. Phys. 2017. V. 44. N 3. P. 1071–1088.
  20. Maxwell A.D., Khokhlova T.D., Schade G.R., Wang Y.-N., Kreider W., Yuldashev P.V., Simon J.C., Sapozhnikov O.A., Farr N., Partanen A., Bailey M.R., Hwang J.H., Crum L.A., Khokhlova V.A. Boiling histotripsy: A noninvasive method for mechanical tissue disintegration // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. N 4. P. 2249.
  21. Aubry J.-F., Bates O., Bohm C., Pauly K.B., Christensen D., Cueto C., Gelat P.N., Guasch L., Jaros J., Jing Y., Jones R.M., Li N., Marty P., Montanaro H., Neufeld E., Pichardo S., Pinton G.F., Pulkkinen A., Stanziola A., Thielscher A., Treeby B.E., Wout E.V. Benchmark problems for transcranial ultrasound simulation: Intercomparison of compressional wave models // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 152. P. 1003.
  22. Jones R.M., Hynynen K. Comparison of analytical and numerical approaches for CT-based aberration correction in transcranial passive acoustic imaging // Phys Med Biol. 2015. V. 61. P. 23.
  23. Adams C., Jones R.M., Yang S.D., Kan W.M., Leung K., Zhou Y., Lee K.U., Huang Y., Hynynen K. Implementation of a skull-conformal phased array for transcranial focused ultrasound therapy // IEEE. 2021. V. 68. P. 3457.
  24. Чупова Д.Д., Росницкий П.Б., Солонцов О.В., Гаврилов Л.Р., Синицын В.Е., Мершина Е.А., Сапожников О.А., Хохлова В.А. Компенсация аберраций при фокусировке через череп на основе данных КТ и МРТ // Акуст. журн. 2024. Т. 70. № 2. С. 193–205.
  25. Schneider U., Pedroni E., Lomax A. The calibration of CT Hounsfield Units for radiotherapy treatment planning // Phys. Med. Biol. 1996. V. 41. P. 111–124.
  26. Mast T.D. Empirical relationships between acoustic parameters in human soft tissues // ARLO. 2000. V. 1. N 2. P. 37–42.
  27. Duck F.A. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book // Academic Press, London, 1990.
  28. Treeby B.E., Cox B.T. Modeling power law absorption and dispersion in viscoelastic solids using a split-field and the fractional Laplacian // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. N 4. P. 1499–1510.
  29. Treeby B.E., Jaros J., Rohrbach D., Cox B.T. Modelling elastic wave propagation using the k-Wave Matlab toolbox // IEEE Int. Ultrasonics Symposium. 2014. P. 146–149.
  30. Бобина А.С., Росницкий П.Б., Хохлова Т.Д., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Влияние неоднородностей брюшной стенки на фокусировку ультразвукового пучка при различных положениях излучателя // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 6. С. 875–882.
  31. Чупова Д.Д., Росницкий П.Б., Гаврилов Л.Р., Хохлова В.А. Компенсация искажений фокусированных ультразвуковых пучков при транскраниальном облучении головного мозга на различной глубине // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 1. С. 3–13.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025